二代蜂箱設計與熱力學原理

秦裕本

（江蘇南通市青年東路39號西樓102室，226007）

二代蜂箱設計與熱力學原理

秦裕本

（江蘇南通市青年東路39號西樓102室，226007）

人們設計制造蜂箱主要是從生物學特性方面，適合蜜蜂生活，居住，繁育后代擴大種群；人體工程學方面，易于操作管理，轉地放養；經濟方面，性價比高，價廉物美；外觀方面，美觀大方，便于蜜蜂識別等諸多方面考慮。

筆者在近10年的時間里，曾經設計制作和使用過10多種以泡沫塑料為基本保溫隔熱材料制作的復合材料蜂箱，亦稱二代蜂箱，養殖蜜蜂以探索蜂箱的最佳設計方案。最終體會到要設計出一款好的二代蜂箱除離不開上述的一些考慮之外，更離不開熱力學理論的指導，特別是利用熱傳遞的輻射、傳導、對流三種方式來設計，選擇使用保溫隔熱材料，才能建造高效節能減耗，大幅增加蜂蜜產量的世界一流蜂箱。下面介紹一下個人心得體會供大家討論。

蜂箱是人們制作提供給蜜蜂終生居住的場所，對蜜蜂有著生死悠關的巨大影響，也是養好蜜蜂的成敗關鍵。蜜蜂是社會性昆蟲，過著群居生活，蜂巢繁育區的溫度經常保持在35℃的近恒溫狀態。一年四季氣溫變化很大，蜜蜂為保持恒定不變的溫度消耗巨大的能量，這些都是工蜂利用采集貯存的蜂蜜轉化而來。要想增加蜂蜜的產量，就要想方設法降低蜂群一年四季的能量損耗。那么改進蜂箱的保溫隔熱功能則成了關鍵因素和技術突破口。

熱力學的核心是能量守恒，能量由高位向低傳遞，離不開輻射、傳導和對流三種傳遞方式。保溫隔熱性能優異的蜂箱設計也離不開對熱能三種傳遞方式的把控。下面分別介紹輻射、傳導、對流三種熱傳遞方式和蜂箱設計的關系。

1.熱輻射即高溫物體直接向外發射熱的方式

熱輻射是熱量通過電磁波擴散或傳遞的一種方式，包括我們肉眼看不見的紅外線和遠紅外線。熱輻射對蜂箱的影響有兩個方面，一是自然界的太陽光直接照射到蜂箱表面產生的巨大升溫效果，然后通過箱壁傳遞到箱內引起箱內溫度升高。蜂群要用蜂蜜做為能量做功加速扇風幫助水份蒸發以降低溫度。當然溫度較低時，特別是冬季陽光照射能幫助蜂箱增溫以減少能量的消耗；二是在秋冬春冷涼季節，外界氣溫遠低于巢溫時，蜂箱內的熱量也會以紅外，遠紅外的輻射方式向箱外擴散帶來能量的消耗。

因此，在蜂箱的設計制作時必須要采取防輻射措施，不但是在蜂箱的表面，蜂箱的內壁同樣要采取防護措施。而箱內箱外的防輻射措施也應有所區別。蜂箱的外壁首先要求平整光滑有利于直接反射。所選擇的防輻射或減少輻射的材料顏色以銀白色，白色等淺顏色反光性強的材料為佳，如用白色涂層的彩鋼板，不銹鋼板、鋁箔、金屬鍍膜等材料。箱內壁除用上述銀色，白色，淺色的反光材料外，內壁表面最好采用具有漫反射功能表面粗糙的反光材料，以便最大限度地減少熱輻射能量的損耗。

2.熱傳導是熱量通過直接接觸從一個物體傳遞給另一個物體或從物體的一部分傳遞到另一部分的方式

蜂箱的箱內熱能是通過箱壁與外界相互傳遞的，在外界溫度高時熱能就會經箱壁傳導到箱內。相反在外界溫度較低時熱能就會不斷的經箱壁傳導到箱外，不斷地消耗蜂巢內的大量熱能，蜂群為保持箱內繁殖區的35℃的近恒溫狀態，工蜂就靠吸取蜂蜜運動產生熱量進行補充。因此作為蜂箱箱體材料的保溫隔熱性能就尤顯重要。蜂箱材料保溫性能的優劣，即熱傳導性能的差別通常是以導熱系數來評價的。導熱系數越小，材料的保溫隔熱性能就越好，導熱系數越高，傳熱性能就越好，熱量就容易散失。因此導熱系數小的材料就成了制作蜂箱材料的首選，也是節能增產的關鍵。現在市面上常用的保溫隔熱性能好，導熱系數低，重量輕，價格適中，適用于制造復合材料蜂箱的泡沫塑料主要有聚苯乙烯泡沫塑料擠塑板和聚氨酯泡沫塑料板，其導熱系數分別為 0.033W/(m·K)和 0.022w/W/(m·K)。分別是最好杉木板導熱系數0.1w/W/(m·K)的3～5倍。但是新的泡沫塑料品種和新的保溫隔熱材料不斷出現，也在加快蜂箱材料的更新速度，蜂箱設計制造應緊跟材料的變化不斷推陳出新跟上時間和科技進步，不斷地變化，應該成為今后蜂箱材料選擇的常態。

3.對流是靠氣體或液體流動的傳熱方式

蜂箱內的空氣流動，蜜蜂的呼吸和運動，每時每刻的都在進行著熱能的對流過程，蜂群自己會隨時調控空氣對流，以保證繁育區為35℃的近恒溫狀態。這里需要說明的是蜜蜂初始調節的溫度要比35℃低很多，因為蜜蜂的卵、蟲、蛹、成蟲都要進行生命活動，進行新陳代謝會產生熱量。這些熱量都會被利用來為蜂巢進行保溫，熱量不足時會由工蜂吸取蜂蜜進行運動產生熱量加以補充。所以每年在春秋兩季當氣溫處于25℃～30℃時，蜜蜂只需用少量的能耗為繁殖區調控溫度，節省的能量用于繁殖后代和采集貯存蜂蜜。所以這個時期也是一年之中繁殖后代擴大種群，采集貯存蜂蜜的最佳時機。利用對流原理是蜜蜂，遵照自然規律調節蜂巢溫度的最基本辦法。因此我們設計蜂箱要充分了解熱力學原理，遵循蜂巢內對流的規律設計制造使用管理蜂箱。

蜂箱中空氣對流與蜜蜂的生物學特性密不可分，中蜂長期在樹洞中筑巢進化，在直立的桶狀空間中生活，所以中蜂選擇了“煙囪”式高效節能的對流模式。即溫度較低的空氣從下方進入蜂巢的下部，經過蜂巢底部的工蜂棲居層加溫到35℃進入繁育區，再到貯蜜區，然后從頂部孔洞中排出。中蜂蜂箱設計的首要任務就是根據“煙囪”對流模式采用立式桶狀結構，以利于蜂群節省能耗增加蜂蜜的產量。為保證蜂箱內對流順暢進行，巢門、箱底氣窗都應盡可能地放在下部，排氣的氣窗，氣孔，紗窗都應設在頂部。門、氣窗、氣孔的大小設計都要能滿足一年四季中最大進氣量的需要，以保證蜂群降溫散熱，轉地運輸，釀造蜂蜜等工作時的需要。但是所有門窗都要開關靈活自如，大小可控，即使冬季新陳代謝最低時也要能調控微弱的對流，并盡可能采取措施防止熱能通過門窗等處流失。

在養殖管理中也要保證蜂箱內對流的暢通，避免過于潮濕，甚至巢門口出水。還有冬季不要“過度保溫”把蜂箱捂得嚴嚴實實造成對流不暢帶來所謂的“熱傷風”損害。

還有采用意蜂標準巢箱養殖中蜂，從熱對流的角度來看有兩個地方明顯不適合中蜂地方。一是巢箱的隔板；二是巢框，兩者的側面均留有1cm的蜂路，方便了人們的活框養殖操作，但是蜂路對于蜂巢來說是另外開避了對流通道，破壞了“煙囪”的總體功能，增加了蜂群調控溫度的能耗和精力。所以蜂路設計是今后中蜂蜂箱設計應改變的地方。最好是不要蜂路或盡可能縮小蜂路，以杜絕或減少蜂路對正常對流運動的干憂。

4.運用熱力學原理指導設計的中蜂蜂箱養殖中蜂帶來的變化

泡沫塑料二代蜂箱養殖中蜂解決了“夏衰”“冬傷”問題。在過去100多年的時間里養蜂都用木板蜂箱。它的保溫隔熱性能很差，每年蜂群都出現“夏衰”和“冬傷”，并且一直被人們誤以為是自然規律不可避免。筆者在多年用現代先進的保溫隔熱材料，泡沫塑料、彩鋼、鋁箔、塑料薄膜等制作復合材料二代蜂箱養殖中蜂后，發現蜂群在新的居住環境中完全可以避免“夏衰”“冬傷”，即經過炎熱的夏季和寒冷的冬天，在南通地區越夏，越冬蜂群的群體大小原有脾數，蜂群的個體數量，越冬初期，中期，后期的子圈大小不變保持了原有群勢。特別是泡沫塑料二代蜂箱的高效節能保溫效果，使越冬期的子圈面積保持在560 cm2，比木板蜂箱子圈在80 cm2要大7倍，由于繁殖量的大幅增漲，因此整個越冬期間都有足夠的新蜂來補充被淘汰的老弱工蜂，保持群勢旺盛，直到春天來臨?？朔诉^去一年兩次因“夏衰”和“冬傷”造成蜂群群勢的大起大落，蜂群在氣候良好，蜜源豐富的大好季節把主要精力都用到繁殖后代，維持和擴大種群數量上，以至于蜂群的產蜜量就受到制約。使用了泡沫塑料二代蜂箱，可為蜂群節省大量能耗，增加蜂蜜的產量。

以二代蜂箱代替過去了長期使用的木板蜂箱養殖中蜂，極大地改善了蜜蜂的居住環境，節省了大量用于冬季保溫和夏季降溫，及平時調控溫度所消耗大量能量和蜜蜂的精力。在泡沫塑料箱提供的優越環境中生活的工蜂，晴天在氣溫零上5℃就可大規模開展正常的采蜜活動比木箱中養殖的蜜蜂出巢采蜜的溫度7℃降低2℃，增加了出巢采蜜時間，使蜂群一年之中有更多的時間和精力從事采蜜工作，因此，比原來用木板蜂箱養殖中蜂時可以多搖2～3次蜜。產量從過去木箱木箱養殖時的5～10 kg/年，增加到現在用泡沫塑料箱的22 kg/年，產量翻了一番，效益可觀。

由于二代蜂箱是用泡沫塑料、彩鋼、鋁箔、塑料膠帶等現代材料制造，極大地改善了中蜂的居住環境，蜂群容易發展成為強群，大群增加了抵御自然災害的能力和抗巢蟲能力。在經過數年的觀察后發現，曾經為害中蜂嚴重的巢蟲也很少在泡沫塑料箱中見到，基本上消除了為害。究其原因是新材料代替了全木質材料蜂箱，徹底的改變了巢蟲原先賴以生存的木質環境，斷了巢蟲的生路，新型泡沫塑料復活材料蜂箱，為中蜂提供了前所未有過的良好生活環境。